面试官：你说 HashMap 线程不安全，它为啥不安全呢？

Posted 2021-04-24 石杉的架构笔记

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本文来源：

http://cnblogs.com/developer_chan/p/10450908.html

我们都知道HashMap是线程不安全的，在多线程环境中不建议使用，但是其线程不安全主要体现在什么地方呢，本文将对该问题进行解密。

1.jdk1.7中的HashMap

在jdk1.8中对HashMap做了很多优化，这里先分析在jdk1.7中的问题，相信大家都知道在jdk1.7多线程环境下HashMap容易出现死循环，这里我们先用代码来模拟出现死循环的情况：

public class HashMapTest {

    public static void main(String[] args) {
        HashMapThread thread0 = new HashMapThread();
        HashMapThread thread1 = new HashMapThread();
        HashMapThread thread2 = new HashMapThread();
        HashMapThread thread3 = new HashMapThread();
        HashMapThread thread4 = new HashMapThread();
        thread0.start();
        thread1.start();
        thread2.start();
        thread3.start();
        thread4.start();
    }
}

class HashMapThread extends Thread {
    private static AtomicInteger ai = new AtomicInteger();
    private static Map
  
    
    
  
     map =  
   new HashMap<>(); 
   
 
   
    @ 
   Override
    public void run() { 
   
         
   while (ai. 
   get() <  
   1000000) { 
   
            map.put(ai. 
   get(), ai. 
   get()); 
   
            ai.incrementAndGet(); 
   
        } 
   
    } 
   
} 
   
 
  

上述代码比较简单，就是开多个线程不断进行put操作，并且HashMap与AtomicInteger都是全局共享的。

在多运行几次该代码后，出现如下死循环情形：

其中有几次还会出现数组越界的情况：

这里我们着重分析为什么会出现死循环的情况，通过jps和jstack命名查看死循环情况，结果如下：

从堆栈信息中可以看到出现死循环的位置，通过该信息可明确知道死循环发生在HashMap的扩容函数中，根源在transfer函数中，jdk1.7中HashMap的transfer函数如下：

void transfer(Entry[] newTable, boolean rehash) {
        int newCapacity = newTable.length;
        for (Entry
  
    
    
  
     e : table) { 
   
             
   while( 
   null != e) { 
   
                Entry 
   
       
    next = e. 
    next; 
    
                 
    if (rehash) { 
    
                    e.hash =  
    null == e.key ?  
    0 : hash(e.key); 
    
                } 
    
                 
    int i = indexFor(e.hash, newCapacity); 
    
                e. 
    next = newTable[i]; 
    
                newTable[i] = e; 
    
                e =  
    next; 
    
            } 
    
        } 
    
    } 
    
 
    
  

总结下该函数的主要作用：

在对table进行扩容到newTable后，需要将原来数据转移到newTable中，注意10-12行代码，这里可以看出在转移元素的过程中，使用的是头插法，也就是链表的顺序会翻转，这里也是形成死循环的关键点。

下面进行详细分析。

1.1 扩容造成死循环分析过程

前提条件，这里假设：

1. hash算法为简单的用key mod链表的大小。

2. 最开始hash表size=2，key=3,7,5，则都在table[1]中。

3. 然后进行resize，使size变成4。

未resize前的数据结构如下：

如果在单线程环境下，最后的结果如下：

这里的转移过程，不再进行详述，只要理解transfer函数在做什么，其转移过程以及如何对链表进行反转应该不难。

然后在多线程环境下，假设有两个线程A和B都在进行put操作。线程A在执行到transfer函数中第11行代码处挂起，因为该函数在这里分析的地位非常重要，因此再次贴出来。

此时线程A中运行结果如下：

线程A挂起后，此时线程B正常执行，并完成resize操作，结果如下：

这里需要特别注意的点：由于线程B已经执行完毕，根据Java内存模型，现在newTable和table中的Entry都是主存中最新值：7.next=3，3.next=null。

此时切换到线程A上，在线程A挂起时内存中值如下：e=3，next=7，newTable[3]=null，代码执行过程如下：

newTable[3]=e ----> newTable[3]=3
e=next ----> e=7

此时结果如下：

继续循环：

e=7
next=e.next ----> next=3【从主存中取值】
e.next=newTable[3] ----> e.next=3【从主存中取值】
newTable[3]=e ----> newTable[3]=7
e=next ----> e=3

结果如下：

再次进行循环：

e=3
next=e.next ----> next=null
e.next=newTable[3] ----> e.next=7 即：3.next=7
newTable[3]=e ----> newTable[3]=3
e=next ----> e=null

注意此次循环：e.next=7，而在上次循环中7.next=3，出现环形链表，并且此时e=null循环结束。

结果如下：

在后续操作中只要涉及轮询hashmap的数据结构，就会在这里发生死循环，造成悲剧。

1.2 扩容造成数据丢失分析过程

遵照上述分析过程，初始时：

线程A和线程B进行put操作，同样线程A挂起：

此时线程A的运行结果如下：

此时线程B已获得CPU时间片，并完成resize操作：

同样注意由于线程B执行完成，newTable和table都为最新值：5.next=null。

此时切换到线程A，在线程A挂起时：e=7，next=5，newTable[3]=null。

执行newtable[i]=e，就将7放在了table[3]的位置，此时next=5。接着进行下一次循环：

e=5
next=e.next ----> next=null，从主存中取值
e.next=newTable[1] ----> e.next=5，从主存中取值
newTable[1]=e ----> newTable[1]=5
e=next ----> e=null

将5放置在table[1]位置，此时e=null循环结束，3元素丢失，并形成环形链表。并在后续操作hashmap时造成死循环。

2.jdk1.8中HashMap

在jdk1.8中对HashMap进行了优化，在发生hash碰撞，不再采用头插法方式，而是直接插入链表尾部，因此不会出现环形链表的情况，但是在多线程的情况下仍然不安全，这里我们看jdk1.8中HashMap的put操作源码：

final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,
                   boolean evict) {
        Node
  
    
    
  
    [] tab; Node 
   
      p;  
    int n, i; 
    
         
    if ((tab = table) ==  
    null || (n = tab.length) ==  
    0) 
    
            n = (tab = resize()).length; 
    
         
    if ((p = tab[i = (n -  
    1) & hash]) ==  
    null)  
    // 如果没有hash碰撞则直接插入元素 
    
            tab[i] = newNode(hash, key,  
    value,  
    null); 
    
         
    else { 
    
            Node 
    
       e; K k; 
     
             
     if (p.hash == hash && 
     
                ((k = p.key) == key || (key !=  
     null && key. 
     equals(k)))) 
     
                e = p; 
     
             
     else  
     if (p instanceof TreeNode) 
     
                e = ((TreeNode 
     
       )p).putTreeVal( 
      this, tab, hash, key,  
      value); 
      
             
      else { 
      
                 
      for ( 
      int binCount =  
      0; ; ++binCount) { 
      
                     
      if ((e = p.next) ==  
      null) { 
      
                        p.next = newNode(hash, key,  
      value,  
      null); 
      
                         
      if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD -  
      1)  
      // -1 for 1st 
      
                            treeifyBin(tab, hash); 
      
                         
      break; 
      
                    } 
      
                     
      if (e.hash == hash && 
      
                        ((k = e.key) == key || (key !=  
      null && key. 
      equals(k)))) 
      
                         
      break; 
      
                    p = e; 
      
                } 
      
            } 
      
             
      if (e !=  
      null) {  
      // existing mapping for key 
      
                V oldValue = e. 
      value; 
      
                 
      if (!onlyIfAbsent || oldValue ==  
      null) 
      
                    e. 
      value =  
      value; 
      
                afterNodeAccess(e); 
      
                 
      return oldValue; 
      
            } 
      
        } 
      
        ++modCount; 
      
         
      if (++size > threshold) 
      
            resize(); 
      
        afterNodeInsertion(evict); 
      
         
      return  
      null; 
      
    } 
      
 
      
     
    
  

这是jdk1.8中HashMap中put操作的主函数， 注意第6行代码，如果没有hash碰撞则会直接插入元素。

如果线程A和线程B同时进行put操作，刚好这两条不同的数据hash值一样，并且该位置数据为null，所以这线程A、B都会进入第6行代码中。

假设一种情况，线程A进入后还未进行数据插入时挂起，而线程B正常执行，从而正常插入数据，然后线程A获取CPU时间片，此时线程A不用再进行hash判断了，问题出现：线程A会把线程B插入的数据给覆盖，发生线程不安全。

总结

首先HashMap是线程不安全的，其主要体现：

1. 在jdk1.7中，在多线程环境下，扩容时会造成环形链或数据丢失。

2. 在jdk1.8中，在多线程环境下，会发生数据覆盖的情况。

END

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